谐波对电能计量影响研究

谐波对电能计量影响研究
随着我国经济的迅猛发展,社会各行业的用电量越来越大,电力网络也随之不断扩张,同时引进了大量非线性负载。

直流输电、冶金、化工等工业企业以及电气机车乃至家用电器中的换流设备和电弧炉等各种具有时变性或非线性的电力
电子设备接入电网后,会使电网电流波形发生畸变,即向电网注入了谐波电流。

标签：谐波;电能计量
所谓电网中的谐波是指电网正弦电压波形畸变后,其波形可以用傅立叶级数进行分解,除了50 的基波外,还存在一系列频率为基波频率整数倍和幅值比基波幅值小的正弦波,这一系列正弦波称为谐波。

按国际通行的定义,谐波是一个周期量的正弦波分量。

谐波大量注入电网将对电力系统造成严重危害,如谐波使电网发生谐振的可能性大大增加,使电器设备、电子设备、电气测量仪表运行不正常,增加附加损耗,加速绝缘老化,降低使用寿命。

电能计量是电力系統收费的依据,而电网中谐波的存在,使工业及日常中仍大量使用的感应式电能表的电能计量误差加大,影响电网的经济运行。

因此,充分分析谐波对电能计量的影响,并对新的电
能计量方法和计量装置进行研究有重要意义。

1 谐波的主要来源
电网中的谐波主要来源于三个方面:①电源质量不高产生的谐波;②输变电网产生的谐波;③非线性用电负荷产生的谐波。

非线性负载的大量使用,已成为电网
中的最大谐波源,本文主要讨论以下几类非线性谐波源。

(1)电弧炉和熔炼炉引起的谐波源。

电弧炉是利用电极与熔化的金属炉料之间的电弧放出的热量来炼钢的,极间介质反复不规则的开路或短路,造成电弧极不稳定,因此电弧炉熔化期负荷很不稳定,产生很大的谐波电流,而且存在电压波动和闪变。

感应熔炼炉采用相控方式,工作电流多为非正弦周期变量,含有大量的高次谐波。

(2)电气化铁道与电力机车引起的谐波。

电气化铁道上运行的电力机车是当前电力系统一类重要的不对称非线性负载,而运行中的电力机车对于某个固定的牵引变电所又是一个随意的变动负载。

电铁的电力牵引单相整流机车,使牵引变压器低压侧电流以及电压发生畸变,产生的大量高次谐波分量通过牵引变压器高压侧注入电力系统。

(3)计算机负载引起的谐波。

当今社会各行业对计算机的使用率越来越高,诸如股票交易所、现代化的办公楼、网吧等都是计算机大量使用的场所,计算机负荷相对较大。

计算机中的开
关电源相对电力系统来说是非线性负荷,它的大量使用会产生一定的谐波。

(4)变压器和换流引起的谐波。

变压器磁化特性的非线性是引起电力的另一重要原因,其产生的谐波与变压器的工作状态有密切关系。

变压器的励磁电流中含有谐波电流,主要为3、5、7
次谐波。

电力系统中,各种不同类型,不同容量,服务与不同目的的硅换流设备被广泛地使用,在进行交流—直流变换过程中,将在交流侧产生大量高次谐波,换流装置
是电力系统中主要谐波源。

2 谐波功率的描述
电力系统中非线性负载消耗的功率可分为两部分,一部分为从电网中吸取的基波功率,另一部分为谐波功率。

理论分析表明,谐波功率是负的,也就是说非线性负载可看作一个谐波源,它向电网回馈谐波功率,这部分功率是非线性负载从电网
中吸收的基波功率的一部分转化而来。

电源G本身不产生谐波,Z1为线性负载,Z N为非线性负载,Z L为线路
的等效阻抗;电源提供的基波规律P G,经过电路Z L。

损耗掉一部分功率
P Z L后,分配给线性负载Z1和非线性负载Z N,用功率表示分别为P Z1和P Z n:谐波源(即非线性负载)向电网反馈的谐波功率为P HN,线性负载吸收谐波功率P HI,发电机吸收谐波功率P HG,线路吸收的谐波功率P HL。

可以得出以下功率平衡方程式:基波功率方程式P G=P Z1+P Z N+P Z L
谐波功率方程式P HN=P HI+P HG+P HL
3 谐波对感应式电能表的影响
3.1 感应式电能表的频率特性
我国目前在电能计量中应用最广的计量表为感应式,这种仪表按基波频率设计,灵敏度高。

研究波形畸变对电能表影响的重要依据就是它的频率特性。

图1 感应式电能表频率误差曲线
从图1的误差与频率关系曲线可以看出,误差为负,且随频率增大而增大,感应式电能表有下降的频率特性。

电网中谐波与基波相迭加,使波形发生畸变,由于感应式电能表的电压和电流铁心导磁率的非线性,在电压、电流波形发生畸变时,磁通并不相应地发生线性变化。

根据同频效应原理,只有同频率的电压和电流相互作用才会产生平均功率,电能表也只有在同频率的电压和电流产生的磁通之间相互作用下产生转矩,畸变的波形通过电磁元件后,由于磁通不与波形对应变化,使转矩不能与平均功率成正比而产生附加误差;而频率越高,误差越大的原因在于感应式电能表的转盘涡流路径的等效转盘阻抗及其阻抗随频率增大而增大,电压、电流形成的工作磁通及补偿
力矩则随频率增大而减小。

3.2 谐波影响下的电能计算
根据以上对谐波功率特性的分析,在实际应用中电能表反应的电能为:
P=k1P1+∑∞n=2k nP n
其中P—电能表反映的电量;P1—通过电能表的基波电能值;
P n —通过电能表的第n次谐波电能值;
k1、k n分别为对于基波功率和n次谐波功率的的比例系数k1≈1,k n0,此时计量的电能值为k1P1+∑∞n=2k nP n,大于基波功率k1P这样计量
的结果,使得非线性负载用户,不但发出谐波,对电网及系统设备造成危害,而且少计量了输入电能,使供电部门受到损失;线性负载用户,既吸收了谐波功率,又多计
量了输入电能,增加了电费支出。

显然这种现象是不合理的。

4 谐波对电子式电能表的影响
电子式电能表具有感应系电能表无法比拟的优点,如准确度等级高、功能多、使用方便等,有日益广泛应用的趋势。

4.1 电子式电能表的工作原理
电子式电能表是在数字功率表的基础上发展起来的,按其原理和结构的特点,分为四个基本部分,方框图如图2所示。

电子式电能表的输入极是将电网中的电压和电流经电压互感器和电流互感器转换成合适的小电压信号,供给乘法器。

乘法器是电子式电能表测量机构的核心部分,它把两个电压模拟量转换成它们的乘积,目前使用最普遍的是时间分割乘
法器。

时间分割乘法器具有精度高、响应快、功率因素变化范围宽等特点。

图3为时间分割乘法器原理图。

从乘法器输出的电压模拟量送入v/f 转换电路,转换成其成正比的脉冲数字量,最后输入到记数电路和驱动电路,完成功率测量。

4.2 电子式电能表的误差
图4是电子式电能表的频率特性曲线,相对于感应式电能表的频率曲线而言,电子式电能表的曲线平坦,基本没有衰减,说明它具有宽频带响应。

它对基波的响应和高次谐波的功率的响应是相同的。

由以上电子式电能表的特点分析可知,当电网电压和电流都发生畸变时,仍能准确计量。

但它也把谐波功率和基波功率等量齐观,因此,它的计量误差比感应式
电能表大。

5 结束语
非线性用户的增多,使电网中谐波成分不断增加,谐波的存在对系统和用户都有百害而无一利。

目前,我国也制定了一系列规程和标准,采取相应的措施,减少或抑制谐波的产生和成分,但电网中仍不可避免地存在谐波量。

目前广泛使用的电子式电能表和感应式电能表都不能准确计量电能,电子式电能表和感应式电能表随谐波次数的增加,准确度都会相应地下降,但相对而言电子式电能表一般精度较高,与感应式电能表比较误差变化较小。

为提高网质量和效率,建议强制用户采取措施减小向电网注入的谐波量,以保证电网的可靠运行,保持线性用户的利益。

为准确计量谐波量,在研究谐波对电能表影响的同时,研究开发高准确度、宽频带
的电压互感器和电流互感器已成为解决谐波问题的首要课题之一。

参考文献
[1] 高山.关于计算机负载对电能计量影响的探讨[J].华北电力技术,2001,(9).
[2]张卓等.对谐波影响下的电能计量方式的探讨[J].广东电力,2002,15(4).
[3]马军等.电气化铁路对电力系统的影响[J].西安理工大学学报,2002,18(2).
[4]肖宇.谐波对电能计量的影响[J].湖南电力,2000,20(6).
[5]韩如成等.谐波对电能计量影响的分析及对策研究[J].太原重型机械学院学报,2002,23(3).。